解冻方法对原料肉品质及蛋白质结构影响的研究进展

王静杰,朱传旭,吴煜彤，朱 磊,钟 强,董春晖,夏秀芳

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

冷冻保存可以有效减缓运输过程中微生物的生长速度,降低运输过程的汁液流失率,使原料肉保持良好的品质。在冻肉进行加工之前,需要对其进行解冻。解冻是使冻结肉及其制品中的冰晶融化成水,并被肉吸收而恢复到冻结前的新鲜状态的过程[1]。在解冻过程中原料肉蛋白质结构遭到破坏,在宏观结构上表现为原料肉持水力、嫩度、色泽及质构特性等品质的损伤。解冻过程中的汁液流失会导致原料肉内所含营养物质流失,使原料肉品质下降。不同的解冻方法对应不同的解冻速率,而解冻速率是影响汁液流失率的重要因素。余小领等[2]研究报道,解冻速率与解冻汁液流失率存在非线性相关性,在一定范围内存在最佳解冻速率。色泽是影响顾客选择购买原料肉的主要因素,不同的解冻方法对于原料肉的色泽有较大影响。在解冻过程中,原料肉含有的脂质极易被氧化,从而产生大量代谢产物,使原料肉品质发生劣变。脂肪氧化产生的某些产物会与原料肉中的蛋白质发生聚合反应,使蛋白质也被氧化。羰基含量常被用来衡量原料肉中蛋白质被氧化程度。侯晓荣等[3]研究发现,对虾经冷藏解冻后羰基含量没有显著变化,而经微波解冻、室温解冻等方式解冻后羰基含量显著增加,尤其是微波解冻后羰基含量增加最快。姜晴晴[4]研究发现,带鱼经微波解冻后羰基含量显著高于其他解冻方式,而低温解冻后带鱼羰基含量保持在较低水平。不同解冻方式对原料肉的品质及蛋白质影响极其不同,为了使原料肉在加工或食用时保持最好的品质,需要寻找到最为合适的解冻方法。

目前,肉类的解冻采用的传统方法有空气解冻法和水解冻法,新型解冻方法包括高压静电场解冻法、欧姆解冻法、超声解冻法和微波解冻法。文章简要综述了这几种单一解冻方法,针对原料肉解冻中发生的品质变化对比不同解冻方式对其影响程度,着重介绍解冻对于蛋白质结构的影响,探究解冻对原料肉品质产生影响的作用机理。

1 解冻方法

1.1 常规解冻法

1.1.1 空气解冻法 空气解冻法是将冻肉直接暴露在空气之中,利用自然空气热对流对原料肉进行解冻。空气解冻法分为室温空气解冻法、低温空气解冻法和低温高湿空气解冻法。

室温空气解冻法是最为经济的一种解冻方法。但是通过室温空气解冻法解冻的原料肉,由于其解冻温度较高,在解冻过程中可能会有大量微生物生长繁殖,使原料肉品质发生劣变。空气解冻法的温度对于原料肉品质有较大影响。陈春光[5]研究对比10、15、20、25、30 ℃五个常见室温解冻后原料肉品质,发现10 ℃条件下原料肉的嫩度、a*值显著优于其他组,微生物数量也最少。张昕等[6]研究不同湿度低温解冻对鸡胸原料肉质量的影响时发现,当环境湿度为90%时,低温解冻可有效缓解解冻过程中肌肉蛋白质变性,降低解冻过程中的汁液流失,解冻后鸡胸原料肉品质最佳。综合来看,对于空气解冻法来说,选用合适的解冻温度和湿度,对保证原料肉品质具有重要意义。

1.1.2 水解冻法 水解冻法是将原料肉放置于水内进行解冻。根据水的状态,可以将其分为静水解冻法和流水解冻法。由于水的传热性比空气好,所以水解冻法的速率明显大于空气解冻法。但由于水解冻法需要将原料肉放置于水中进行解冻,会导致肉内营养物质和可溶性色素流失,从而对肉的营养和色泽产生影响。因此,水解冻法往往适用于带包装的食品。

1.2 新型解冻法

1.2.1 高压静电场解冻法 高压静电场解冻是将原料肉放置于极板之间,通过施加电压使冻肉解冻。在原料肉解冻过程中经常使用的高压静电场解冻仪器为多点对板电机系统。高压静电场解冻仪器利用电场加速在针电极周围的小区域中产生离子,所产生的动量从空气离子传递到中性空气分子并产生电晕风,将大量流体移动到表面。在这种情况下,大量流体与原料肉表面碰撞并在表面形成的边界层上引起湍流,最终导致传热系数的增强,从而使解冻时间减少[7]。

在解冻过程中,可以采用施加正电压或者施加负电压的解冻方式。He等[8]研究发现,在施加负电压的情况下,电能转换成风能的频率相对较低但电晕风速更加稳定。原料肉有无电流对于解冻时间具有显著影响。He等[8]将冻品放置在有(无)电流通过的条件下,发现在不同的施加电压下,解冻时间显著减少(无显著变化)。经高压静电场解冻的原料肉中心温度与表面温度差异非常小[9],可以使冻品快速均匀解冻,能较好的保证解冻后的原料肉品质。在使用高压静电场解冻法解冻原料肉的过程中,要选择合适的电压[9-10]和电极间隙[10],在解冻成本最低的情况下得到最好的解冻效果。

1.2.2 欧姆解冻法 欧姆解冻是一种电加热解冻方法,与其他电热技术相比,它的加热更加均匀。它利用原料肉的电阻,当电流通过时释放出热量,使原料肉解冻。

欧姆加热的散热量大小与加工时施加的电压以及原料肉的电导率密切相关。Jin等[11]研究发现,原料肉的膜方向、水分含量、脂肪含量以及原料肉种类均会影响其电导率。目前,关于各种肉类的电导率的研究已经非常广泛,其中包括鸡肉[12]、牛肉[13]、猪肉[14]和鱼肉[15]等。Duygu等[13]研究发现,与室温解冻和冷藏解冻相比,使用欧姆加热系统来解冻冷冻肉会产生较少的重量损失和较短的解冻时间。欧姆解冻有一个较大的缺陷,解冻时电极必须与冻结物完全接触,否则容易造成局部过热现象。目前,欧姆解冻仍然处于应用研究技术水平,将其大规模的投入生产加工实践中需要进一步探索各种条件控制。

1.2.3 超声波解冻法 超声波作为一项安全可靠、简单高效的现代技术,在传播过程中会产生的一系列强大的物理、化学效应,已被广泛应用于食品杀菌,加速肉类腌制、嫩化、延长肉制品货架期以及某些活性物质的辅助提取等方面[16-17]。近来,关于超声波解冻的研究也逐渐深入。

超声波解冻主要是利用超声波的热效应，在解冻过程中,介质内的超声波产生的振动能转变为热能,使介质内部温度升高,原料肉得到解冻。超声波解冻的优点是可以通过选择合适的超声波频率有效避免产品内部的局部高温,使原料肉解冻更加均匀[18]。余力等[19]在研究不同解冻方式对伊拉兔肉肉质特性的影响时发现,与自然空气解冻、低温解冻和流水解冻相比,超声波解冻由于解冻时间较短,对兔肉蛋白质分解和脂肪氧化影响不大,但是解冻过程中温度过高,引起大量的汁液流失,故蒸煮损失率和解冻损失率较高。张昕等[20]研究发现,与静水解冻相比,超声波解冻工艺可有效提高鸡胸肉解冻速率并显著改善新鲜度,但解冻后鸡胸肉蛋白质变性导致保水性较差,解冻汁液流失率高且肉色偏暗,对解冻后鸡胸原料肉质有一定的负面影响,其中180 W超声波解冻对鸡胸原料肉质负面影响最小。蒋奕等[21]分别使用100、200、300、400、500 W的超声功率解冻冻结猪肉,发现随着超声频率的增大,猪肉的蒸煮损失率增大。在解冻时可以寻找最为合适的超声波频率,从而减小超声波解冻对原料肉品质的负面影响,加上超声波解冻所需解冻时间短,对蛋白质和脂肪影响小,超声波解冻具有很大的发展前景。

1.2.4 微波解冻法 微波解冻是利用微波能将冷冻品进行穿透性迅速加热,使原料肉内外同步解冻并升温至不滴水的状态[22]。解冻时经常使用的微波解冻频率为915或2450 MHz。它的解冻原理是使构成食品的大多数分子两端均带有相同数量的正负电荷,这些电荷朝着各个方向无规则排列。当我们将食品放置于微波环境下,会使分子内部正负电荷分别朝向同一方向。而微波解冻是将原料肉放置于密闭的加热箱中,由于箱体对微波产生反射作用,使得微波从不同方向照射到原料肉上,这会使原料肉内分子所带正负电荷方向不断改变,分子之间摩擦生热,生成的热量可用于原料肉解冻。

微波解冻速率快,可以使解冻中的原料肉迅速越过-5～0 ℃这个食品易变色变味、蛋白质易变性的温度带,较好地保持食品的品质。由于水对于微波的吸收效率比冰高,导致在解冻前期过程中产生的水更加容易吸收微波加热所释放的能力,造成原料肉局部过热,影响产品品质。针对局部过热现象,目前研究有效的措施包括:与真空解冻相结合[23]、加入添加剂盐调整食品的介电性质[24]等。

2 解冻方法对原料肉质量的影响

2.1 解冻方法对原料肉品质的影响

2.1.1 解冻方法对原料肉持水力的影响 原料肉持水力是评定原料肉质量的重要指标。在原料肉冻结过程中,原料肉内部水分冻结形成冰晶,解冻是将冷冻过程产生的冰晶融化为水,被原料肉细胞重新吸收的过程。大量研究证明[25-27],解冻产生的水并不能完全被原料肉细胞吸收,导致细胞水分流失,肌肉持水力下降。同时,水分的流失也导致细胞内可溶性蛋白质、无机盐等营养物质的流失,使原料肉品质下降。原料肉的持水力一般通过解冻损失率和蒸煮损失率等来表示[4]。原料肉的持水力与动物种类和部位有关[28],钟莉等[29]发现超声波法解冻鸡胸肉、猪里脊肉和鸡腿肉时,水分损失率分别为6.3%、4.5%、2.5%,且差异显著。Xia等[25]研究发现,与室温解冻、静水解冻、流水解冻、微波解冻相比,冷藏解冻具有最小的解冻损失(3.07%)和烹饪损失(19.72%),微波解冻具有最高的解冻损失(6.64%)。程天斌等[30]等通过测定蒸煮损失率对比了冷藏、微波解冻法对肌肉保水性的影响。

2.1.2 解冻方法对原料肉色泽的影响 色泽是顾客在购买原料肉时的第一判断指标,也是评判原料肉品质好坏非常重要的一个指标。肉色测量中的L*、a*和b*分别代表原料肉的亮度值、红度值和黄度值。L*值越大,表明原料肉光泽度越好;a*值越高,说明肉的颜色越好,肉越新鲜;b*值越高,说明肉越不新鲜[31]。Xia等[32]研究发现,低温解冻、室温解冻、静水解冻、流水解冻和微波解冻均可显著降低肉类的a*值,并增加L*和b*值。不同解冻方式对于原料肉色泽的影响不同,合适的解冻方式是原料肉解冻后色泽良好的重要保障,也是后续加工生产的必要保证手段。一般来说,在解冻过程中,脂质氧化和色素降解会导致原料肉颜色发生变化[33]。Zakrys等[34]发现L*值和a*值的变化似乎是由脂质氧化引起的,并且随着硫代巴比妥酸反应物质数量的增加,即脂肪氧化程度升高,氧合肌红蛋白形式不断减少。在色素降解过程中,主要发生的化学变化是红色的肌红蛋白经氧化变为褐色的高铁肌红蛋白,使原料肉色泽恶化,这不仅会影响肌肉的后续加工,还会使消费者购买欲望下降。

2.1.3 解冻方法对原料肉嫩度的影响 嫩度是原料肉重要的感官评定指标,通常用剪切力来量化表示。剪切力越大,说明肉的嫩度越低。冷冻原料肉中蛋白质水解、老化以及由冰晶形成而引起蛋白质结构完整性丧失,导致肌纤维发生酶促作用而分解,使原料肉嫩化[35]。常海军等[36]研究发现,与自然空气解冻、静水解冻相比,微波解冻后肌肉剪切力值较低。这可能是因为微波解冻速率较快,解冻过程破坏了肌肉的纤维结构,使得猪肉剪切力下降。余力等[19]研究发现,与自然空气解冻、流水解冻和微波解冻相比,低温解冻后兔肉的剪切力值与鲜肉差异不显著,并且略有下降。这与Xia等[25]研究结果相同。可见低温解冻是一种保持原料肉嫩度的较为有效的方法。

2.1.4 解冻方法对原料肉质构特性的影响 质构特性包括其硬度、黏着性、弹性、凝聚性、胶黏性、咀嚼性和回弹性。欧阳杰等[37]研究发现低温解冻的大黄鱼弹性最好,流水解冻和自然解冻次之,微波解冻后的大黄鱼肌肉弹性相对最差。这可能是因为肌肉的弹性与持水力呈正相关关系,持水力越大,汁液流失越少,盐溶性蛋白损失越少,而盐溶性蛋白恰好是形成凝胶和弹性的重要物质。低温解冻的大黄鱼持水力最大,盐溶性蛋白的损失越小,因而弹性也就越好[38]。余力等[19]、谭明堂等[39]研究发现超声波解冻后肉品的咀嚼性、胶黏性比空气解冻、流水解冻和微波解冻的咀嚼性好。余力等[19]对伊拉兔肉质构特性的指标间进行相关性分析,发现可恢复形变与弹性、胶着性及咀嚼性呈极显著正相关,硬度与弹性、胶着性及咀嚼性呈极显著正相关,胶着性与咀嚼性呈极显著正相关。

2.2 解冻过程中发生的脂肪氧化

硫代巴比妥酸反应物质(thiobarbituric acid reaction material,TBARs)是肌肉脂肪氧化的量化指标,TBARs值越大,说明脂肪的氧化程度越高。解冻后原料肉产生的不良感官品质与脂肪氧化存在一定关系[40-41]。姜晴晴[4]研究发现,与微波解冻,流水解冻以及自然解冻相比,低温解冻后带鱼TBARs值最低。在低温冷藏24 h后,微波解冻带鱼的TBARs值明显增加(0.46增加至4.40 mg MDA/kg)。这可能是因为微波解冻热量传递迅速,促进脂肪氧化发生[42]。Benjakul等[43]认为解冻引起脂肪氧化的原因是冰晶对细胞膜的破坏以及随后所释放的血红素铁等氧化剂。Xia等[32]发现,所有猪肉样品a*值减少,L*值和b*值增加,同时伴随着TBARs形成量的增加。Yu等[44]还发现煮熟的火鸡肌肉中脂质氧化的增加与发红的减少和黄度的增加有关。由此可见,脂肪氧化影响原料肉的品质。高压静电场在负电晕放电的情况下,施加一定的电压,如-15、-20和-25 kV,不会使兔肉产生较鲜兔肉更多的脂肪氧化[45],与正电晕放电的情况下则正好相反[10]。可见负电晕放电的高压静电场对于有效减少解冻过程中的脂肪氧化具有重要意义。Delles等[46]发现氧化对蛋白质羰基的影响总体上类似于对TBARs的影响,表明脂质氧化和蛋白质羰基形成之间可能存在关系。据报道,脂肪氧化产生的二羰基产物,例如丙二醛,可与肌球蛋白发生反应产生羰基[47]。

2.3 解冻过程对原料肉蛋白质结构的影响

2.3.1 解冻过程对原料肉蛋白质二级结构的影响 蛋白质二级结构是指肽链中的主链借助氢键,有规则的卷曲折叠成沿一维方向具有周期性结构的构象。圆二色光谱(circular dichroism,CD)是应用最为广泛的测定蛋白质二级结构的方法,测定快速简便,结果较为准确。CD光谱在208和222 nm处有两个负峰,是α-螺旋结构的特征峰[48]。α-螺旋是肌原纤维蛋白中的典型构象,主要存在于肌原纤维蛋白中的肌动球蛋白、肌球蛋白片段和肌球蛋白之中[49],与蛋白质结构的稳定性密切相关。解冻导致α-螺旋含量降低。Li等[48]研究发现,鲜肉的肌原纤维蛋白中α-螺旋含量为51.37%,分别经过冷冻解冻、静水解冻、真空解冻、超声波解冻和微波解冻后,含量降至46.45%、44.38%、49.98%、48.72%和40.25%,蛋白质表面疏水性依次增加了3.0%、8.7%、2.1%、10.7%和12.7%,这可能是由于蛋白质内部偶极子在微波场中发生振动,导致蛋白质分子展开。蛋白质表面疏水基暴露、降低蛋白质水合力、原料肉持水力下降[50]。Chao等[51]研究发现蛋白质氧化降低蛋白质α-螺旋的同时,β-折叠和无规则卷曲的含量会增加,证明解冻过程中α-螺旋结构可能转化为β-折叠或无规则卷曲。α-螺旋结构主要通过多肽链的氨基氢(NH-)和羰基氧(C=O)之间的氢键来稳定[52],因而α-螺旋结构减少的可能原因是解冻破坏了分子内部氢键。蛋白二级结构发生改变的宏观原因可能是由于水变成冰的过程中,逐渐增大的冰晶对蛋白的肌纤维造成挤压以及机械损伤。

2.3.2 解冻过程对原料肉蛋白质三级结构的影响 蛋白质三级结构是指一条多肽链在二级结构或者超二级结构甚至结构域的基础上,进一步盘绕、折叠,依靠次级键的维系固定所形成的特定空间结构。常使用三维荧光光谱对蛋白质进行分析,它可以提供有关蛋白质构象变化的详细信息[53]。蛋白质自身内源荧光主要来自于色氨酸。在折叠状态下,色氨酸残基通常位于蛋白质内部,具有高量子产率并因此具有高荧光强度。Jia等[53]发现解冻后的猪肉样品的荧光强度低于新鲜样品的荧光强度,表明在解冻期间肌原纤维蛋白局部结构发生了变化。解冻导致色氨酸等残基暴露于亲水环境中,发生部分荧光淬灭现象。蛋白质表面疏水性反映了蛋白质表面疏水性氨基酸残基分布的程度,是与蛋白质功能性质相关的重要分子特征[54]。它与氨基酸之间的疏水相互作用和巯基残基的氧化有关[55]。自然状态下肌原纤维蛋白的疏水区域位于分子内部,解冻会使蛋白质结构展开,促进蛋白质表面疏水性的增加。表面疏水性增加可能与肌原纤维蛋白表面蛋白质与水之间相互作用减少,蛋白质不稳定性增加有关[56],还可能与解冻过程中暴露更多的疏水基团有关[57]。

3 总结与展望

肉类解冻作为肉类加工生产前的一个必要步骤,对于原料肉的品质产生较多影响。综合分析以往的研究,发现低温解冻后原料肉嫩度最佳,持水力也最佳。但是低温解冻往往要耗费更多的解冻时间,从时间成本考虑,低温解冻是一个不太适宜的解冻方法。因此在实际生产过程中,要根据具体的生产生活需要,选择合适的解冻方式,以达到预期的目的。微波解冻速度快,但是在解冻过程中会出现局部过热现象,从而引起一系列的品质劣化。后续研究可以集中于如何控制这一现象的发生,高压静电场解冻使冻品快速均匀解冻,对脂肪氧化的控制效果非常明显,但是不同的电极配置和电场强度对于解冻的影响非常大,需要在以后广泛的研究合适的解冻条件。

解冻也会使蛋白质结构发生变化。α-螺旋是蛋白质二级结构的典型构象,解冻破坏分子间氢键,使其含量降低、蛋白质稳定性下降。荧光是反映蛋白质三级结构变化的有效途径,解冻使蛋白质三级结构破坏,色氨酸残基等暴露于亲水环境中,发生荧光淬灭现象,荧光强度降低。目前,关于解冻对于肉类品质的影响的研究已经很多,但是对蛋白质结构及功能特性影响的研究相对较少。在以后的研究及生产实践中,可以以不同解冻方式对肉类蛋白质结构及功能特性影响为研究着力点,综合考虑不同解冻方法对原料肉食用品质和加工品质的影响,寻找更加优质的解冻方法。